D0I:10.13374/1.issnl00103.2008.07.033 第30卷第7期 北京科技大学学报 Vol.30 No.7 2008年7月 Journal of University of Science and Technology Beijing Ju.2008 316L不锈钢/YPSZ复合材料摩擦磨损特性 郭振文)张文泉) 刘雪峰)谢建新) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)北京工业大学材料科学与工程学院，北京100124 摘要在MR3型高速环块磨损试验机上研究了粉末冶金方法制备的316L不锈钢/YPSZ金属陶瓷复合材料在干摩擦 条件下的摩擦磨损性能，并与T10钢(HRC45)的耐磨性能进行了对比·考察了316L不锈钢体积分数(30%~50%)、颗粒尺 寸(10.8~51.64m)及对偶环转速(200~280rmin-)对材料耐磨性的影响.结果表明：随着316L不锈钢含量的增加和颗粒 尺寸的增大，或随着对偶环转速的提高·复合材料的耐磨性下降。在本文研究条件下，除个别情形外，所制备316L/YPSZ复 合材料的耐磨性能优于T10钢：当不锈钢体积分数为30%、颗粒尺寸为10.8m时，复合材料的耐磨性能达到T10钢的3.0~ 3.2倍.316L不锈钢/YPSZ复合材料的磨损机理主要为316L不锈钢颗粒剥落和YPS2基体层片剥落. 关键词金属陶瓷复合材料：316L不锈钢：YPSZ;粉末冶金：摩擦磨损性能：磨损机理 分类号TB333 Friction wear behaviors of 316L stainless steel/Y-PSZ composites GUO Zhenwen),ZHANG Wenquan,LIU Xuefeng).XIE Jianxin) 1)School of Materials Science and Engineering.University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083.China 2)College of Materials Science and Engineering.Beijing University of Technology.Beijing 100124,China ABSTRACT The friction wear behaviors of 316L stainless steel/Y-PSZ (partially yttria"stabilized zirconia)metal-ceramics compos- ites fabricated by means of powder metallurgy were evaluated under dry"sliding condition on a high"speed block"on-ring contact wear test machine MRH-3.and were contrasted to those of T10 steel (HRC 45).The effects of the volume fraction (30%-50%)and particle size (10.8-51.6/m)of 316L and the rotary speed (200-280rmin)of the friction ring on the wear resistance of 316L/ Y-PSZ composites were investigated.The results show that the wear resistance of the composites decrease with the increase of 316L content and particle size,or with the increase of the rotary speed of the friction ring.The wear resistance of fabricated 316L/Y-PSZ composites is better than that of T10 steel under the experimental conditions in this work except for few cases.Furthermore,the wear resistance of the fabricated 316L/Y-PSZ composites with a 316L volume fraction of 30%and a 316L particle size 10.8m is 3.0-3.2times as large as that of T10 steel under the experimental conditions in this work.The abrasion mechanism of 316L/Y-PSZ composites is mainly composed of the desquamation of 316L particles and the delamination of Y-PSZ matrix. KEY WORDS metal ceramics composites:316L stainless steel:Y-PSZ:powder metallurgy:friction wear behaviors:abrasion mechanism 目前金属陶瓷复合材料的研究及应用主要集中 视可] 在金属基复合材料方面，而在陶瓷基复合材料方面 在常用金属材料中，316L不锈钢 的报道则较少，如镁基、铝基等轻金属基复合材料 (00Cr17Ni14Mo2)具有较高的强度、良好的塑韧性 具有比强度高的特点，主要应用于航空航天等高技 和耐蚀性[)，其热膨胀系数在20~300℃范围内约 术领域，针对高温、高速条件下工作的耐磨损结构 为17.5×10-5K-1,与氧化钇部分稳定氧化锆(3% 件，如高速线材轧机的辊环和导向轮，综合性能优 Y203Zr02,简记为YPSZ)的热膨胀系数相差较 良、价格低廉的钢铁基耐磨复合材料正逐渐受到重 小，且二者之间具有很好的化学相容性.将它们混 收稿日期：2007-03-12修回日期：2008-02-21 基金项目：国家自然科学基金资助项目(Na.59671025) 作者简介：郭振文(1982一）男，硕士研究生；谢建新(l958一)，男，教授，博士生导师，E-mail:jxxie(@mater,ustb-em-cn
316L 不锈钢／Y－PSZ 复合材料摩擦磨损特性 郭振文1） 张文泉2） 刘雪峰1） 谢建新1） 1） 北京科技大学材料科学与工程学院北京100083 2） 北京工业大学材料科学与工程学院北京100124 摘 要 在 MRH－3型高速环块磨损试验机上研究了粉末冶金方法制备的316L 不锈钢／Y－PSZ 金属陶瓷复合材料在干摩擦 条件下的摩擦磨损性能并与 T10钢（HRC45）的耐磨性能进行了对比．考察了316L 不锈钢体积分数（30％～50％）、颗粒尺 寸（10∙8～51∙6μm）及对偶环转速（200～280r·min －1）对材料耐磨性的影响．结果表明：随着316L 不锈钢含量的增加和颗粒 尺寸的增大或随着对偶环转速的提高复合材料的耐磨性下降．在本文研究条件下除个别情形外所制备316L／Y－PSZ 复 合材料的耐磨性能优于 T10钢；当不锈钢体积分数为30％、颗粒尺寸为10∙8μm 时复合材料的耐磨性能达到 T10钢的3∙0～ 3∙2倍．316L 不锈钢／Y－PSZ 复合材料的磨损机理主要为316L 不锈钢颗粒剥落和 Y－PSZ 基体层片剥落． 关键词 金属陶瓷复合材料；316L 不锈钢；Y－PSZ；粉末冶金；摩擦磨损性能；磨损机理 分类号 TB333 Friction wear behaviors of316L stainless steel／Y-PSZ composites GUO Zhenwen 1）ZHA NG Wenquan 2）LIU Xuefeng 1）XIE Jianxin 1） 1） School of Materials Science and EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 2） College of Materials Science and EngineeringBeijing University of TechnologyBeijing100124China ABSTRACT T he friction wear behaviors of 316L stainless steel／Y-PSZ （partially yttria-stabilized zirconia） meta-l ceramics composites fabricated by means of powder metallurgy were evaluated under dry-sliding condition on a high-speed block-on-ring contact wear test machine MRH-3and were contrasted to those of T10steel （HRC 45）．T he effects of the volume fraction （30％－50％） and particle size （10∙8－51∙6μm） of316L and the rotary speed （200－280r·min －1） of the friction ring on the wear resistance of316L／ Y-PSZ composites were investigated．T he results show that the wear resistance of the composites decrease with the increase of 316L content and particle sizeor with the increase of the rotary speed of the friction ring．T he wear resistance of fabricated316L／Y-PSZ composites is better than that of T10steel under the experimental conditions in this work except for few cases．Furthermorethe wear resistance of the fabricated316L／Y-PSZ composites with a316L volume fraction of 30％ and a316L particle size10∙8μm is 3∙0－3∙2times as large as that of T10steel under the experimental conditions in this work．T he abrasion mechanism of316L／Y-PSZ composites is mainly composed of the desquamation of 316L particles and the delamination of Y-PSZ matrix． KEY WORDS metal ceramics composites；316L stainless steel；Y-PSZ；powder metallurgy；friction wear behaviors；abrasion mechanism 收稿日期：2007-03-12 修回日期：2008-02-21 基金项目：国家自然科学基金资助项目（No．59671025） 作者简介：郭振文（1982－）男硕士研究生；谢建新（1958－）男教授博士生导师E-mail：jxxie＠mater．ustb．edu．cn 目前金属陶瓷复合材料的研究及应用主要集中 在金属基复合材料方面而在陶瓷基复合材料方面 的报道则较少．如镁基、铝基等轻金属基复合材料 具有比强度高的特点主要应用于航空航天等高技 术领域．针对高温、高速条件下工作的耐磨损结构 件如高速线材轧机的辊环和导向轮综合性能优 良、价格低廉的钢铁基耐磨复合材料正逐渐受到重 视［1－5］． 在 常 用 金 属 材 料 中316L 不 锈 钢 （00Cr17Ni14Mo2）具有较高的强度、良好的塑韧性 和耐蚀性［6］其热膨胀系数在20～300℃范围内约 为17∙5×10－6 K －1与氧化钇部分稳定氧化锆（3％ Y2O3－ZrO2简记为 Y－PSZ）的热膨胀系数相差较 小且二者之间具有很好的化学相容性．将它们混 第30卷 第7期 2008年 7月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．7 Jul．2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．07．033
第7期 郭振文等：316L不锈钢/YPSZ复合材料摩擦磨损特性 .741. 合制成的复合材料具有成本低、性能优良、用途广泛 摩擦环材料为GCr15钢，热处理工艺为850℃X1h 等特点[，研究发现，当YPSZ的体积分数接近 油淬，150℃回火2.5h,硬度为HRC62.块试样由 或高于316L不锈钢的体积分数时，可以获得一种 所制备的316L不锈钢/YPSZ复合材料机加工而 高性能的耐磨材料0山，该材料具有强度高、塑韧 成，其硬度和压缩强度分别如图2和图3所示，尺寸 性较好、高耐磨、高耐蚀等特点 为19.05mm×12.32mm×12.32mm,所用对比块 本文通过粉末冶金方法制备了316L不锈钢/ 试样材料为T10钢，硬度为HRC45(为了与对磨的 YPSZ复合材料，重点研究了316L不锈钢含量、颗 GCrl5钢摩擦环有差别) 粒尺寸及工作条件（对偶环转速）对复合材料耐磨性 60 能的影响，并探讨了其磨损机理 55 d316u=10.8μm 1实验部分 50 7 星 d1L-l5.9μm 1.1实验材料 d6=35.7μm 分别选用一种水雾化和三种氮气雾化的316L 不锈钢粉末，水雾化的316L不锈钢粉末颗粒为不 35 规则棒状或球形，平均粒径为10.8m;氨气雾化的 304 d6L=51.6μm 316L不锈钢粉末颗粒为球形，平均粒径分别为 25 30 40 50 15.9,35.7和51.6m.氧化钇部分稳定氧化锆粉 316L不锈钢体积分数% 末(3%Y203Zx02,简记为YPSZ)为不规则形颗 图2复合材料硬度随316L不锈钢体积分数及颗粒尺寸的变化 粒，平均粒径1.16m·上述粉末粒度分布测试均采 Fig.2 Curves of the hardness of the composites with the volume 用LMS30激光衍射散射式粒度分布测定仪，分散 fraction and particle size of 316L 剂为无水乙醇.用正态函数表示粒度分布时，正态 分布50%表示粒径大小，粒度分布情况如图1所 850 示.本文采用冷压成形、真空烧结工艺制备316L不 800f -+-d=159um 0-416a-35.7μm 锈钢/YPSZ复合材料10].所制备复合材料的 750 -d14=51.6山m 316L体积分数分别为30%，40%和50%. 700 650F 25 10.8μm 15.9μm 600 20 5soL 500 10 30 40 50 316L不锈钢体积分数/% 图3复合材料压缩强度随316L不锈钢体积分数及颗粒尺寸 35.7m 51.6μm 0 的变化 15 Fig.3 Curves of the compressive strength of the composites with 10 the volume fraction and particle size of 316L 摩擦磨损实验前后，磨擦块试样均在无水乙醇 10 1001 10 100 粒径μm 中清洗表面，清洗完成后放入烘干箱内在60℃下烘 干30min,在烘箱内冷却至室温后，放入干燥器中， 图1四种不同平均粒径的316L不锈钢粉末粒度分布图 Fig.1 Particle size distribution of 316L powders with four different 2h后立即采用10-4g精度的TG328A型电光分 average particle diameters 析天平称量，磨损实验前后块样品质量差即为质量 磨损量；实验力（正压力）为98N,磨擦环转速为 1.2摩擦磨损实验 200,240,280rmin-1,磨损实验周期为6000r,采 摩擦磨损实验在MR3型高速环块磨损试验 用Cambridge S250MK3型扫描电子显微镜观察分 机上进行.，实验条件为干摩擦，环境温度为18~ 析磨损表面形貌， 22℃；摩擦副为环块副，摩擦副的接触形式为线接 由于本文烧结复合材料存在一定孔隙山.所 触，块试样固定，环偶件旋转（外径为49.22mm): 组成相316L和PSZ的密度相差较大，在磨损实验
合制成的复合材料具有成本低、性能优良、用途广泛 等特点［7－9］．研究发现当 Y－PSZ 的体积分数接近 或高于316L 不锈钢的体积分数时可以获得一种 高性能的耐磨材料［10－11］该材料具有强度高、塑韧 性较好、高耐磨、高耐蚀等特点． 本文通过粉末冶金方法制备了316L 不锈钢／ Y－PSZ复合材料重点研究了316L 不锈钢含量、颗 粒尺寸及工作条件（对偶环转速）对复合材料耐磨性 能的影响并探讨了其磨损机理． 1 实验部分 1∙1 实验材料 分别选用一种水雾化和三种氮气雾化的316L 不锈钢粉末水雾化的316L 不锈钢粉末颗粒为不 规则棒状或球形平均粒径为10∙8μm；氮气雾化的 316L 不锈钢粉末颗粒为球形平均粒径分别为 15∙935∙7和51∙6μm．氧化钇部分稳定氧化锆粉 末（3％ Y2O3－ZrO2简记为 Y－PSZ）为不规则形颗 粒平均粒径1∙16μm．上述粉末粒度分布测试均采 用 LMS－30激光衍射散射式粒度分布测定仪分散 剂为无水乙醇．用正态函数表示粒度分布时正态 分布50％表示粒径大小粒度分布情况如图1所 示．本文采用冷压成形、真空烧结工艺制备316L 不 锈钢／Y－PSZ 复合材料［10－11］．所制备复合材料的 316L 体积分数分别为30％40％和50％． 图1 四种不同平均粒径的316L 不锈钢粉末粒度分布图 Fig．1 Particle size distribution of316L powders with four different average particle diameters 1∙2 摩擦磨损实验 摩擦磨损实验在 MRH－3型高速环块磨损试验 机上进行．实验条件为干摩擦环境温度为18～ 22℃；摩擦副为环块副摩擦副的接触形式为线接 触块试样固定环偶件旋转（外径为●49∙22mm）； 摩擦环材料为 GCr15钢热处理工艺为850℃×1h 油淬150℃回火2∙5h硬度为 HRC 62．块试样由 所制备的316L 不锈钢／Y－PSZ 复合材料机加工而 成其硬度和压缩强度分别如图2和图3所示尺寸 为19∙05mm×12∙32mm×12∙32mm．所用对比块 试样材料为 T10钢硬度为 HRC45（为了与对磨的 GCr15钢摩擦环有差别）． 图2 复合材料硬度随316L 不锈钢体积分数及颗粒尺寸的变化 Fig．2 Curves of the hardness of the composites with the volume fraction and particle size of 316L 图3 复合材料压缩强度σbc随316L 不锈钢体积分数及颗粒尺寸 的变化 Fig．3 Curves of the compressive strength of the composites with the volume fraction and particle size of 316L 摩擦磨损实验前后磨擦块试样均在无水乙醇 中清洗表面清洗完成后放入烘干箱内在60℃下烘 干30min在烘箱内冷却至室温后放入干燥器中 2h 后立即采用10－4 g 精度的 TG－328A 型电光分 析天平称量磨损实验前后块样品质量差即为质量 磨损量；实验力（正压力）为98N磨擦环转速为 200240280r·min －1磨损实验周期为6000r．采 用 Cambridge S250MK3型扫描电子显微镜观察分 析磨损表面形貌． 由于本文烧结复合材料存在一定孔隙［11］．所 组成相316L 和 PSZ 的密度相差较大．在磨损实验 第7期 郭振文等：316L 不锈钢／Y－PSZ 复合材料摩擦磨损特性 ·741·
.742 北京科技大学学报 第30卷 中复合材料的两相发生非均匀磨损.复合材料烧结 分数为50%、平均粒径为51.6m时，复合材料的 密度较接近山.综合上述原因，本文未将磨损实验 耐磨性低于T10钢 质量磨损量换算成体积磨损量 3.5 2结果与讨论 3.0 2.5 d1a=10,8μm 2.1316L不锈钢体积分数对复合材料耐磨性能的 d16L=35.7μm 2.0 影响 16= 1.5 d16L=51.6um 图4为复合材料试样在正压力98N、对偶环转 15.9um 速200rmin的条件下磨损6000r后试样的磨损 1.0 量与316L体积分数的关系图.由图可见，316L不 0.5 锈钢颗粒尺寸一定时，随着316L不锈钢体积分数 0 30 40 50 的增加，试样的磨损量逐渐增大.316L不锈钢体积 316L不锈钢体积分数% 分数为40%时试样的磨损量略高于316L不锈钢体 图5对偶环转速200rmim-时试样相对耐磨性与316L不锈钢 积分数为30%时试样的磨损量；而当316L不锈钢 体积分数的关系 体积分数为50%时，磨损量有显著的增加.在本文 Fig.5 Curves of the relative wear resistance to the volume fraction 研究条件下，所制备的316L/YPSZ复合材料（除 of 316L at the rotary speed of 200rmin- 316L体积分数为50%，平均粒径51.6m的复合材 2.2316L不锈钢颗粒尺寸对复合材料耐磨性能的 料外)的磨损量均较T10钢磨损量小.尤其是当不 锈钢体积分数为30%和40%时，复合材料的磨损量 影响 远远低于T10钢磨损量 图6所示为复合材料试样在正压力98N、对偶 环转速240rmim-1的条件下磨损6000r后试样的 3.0 ☑30%316L 磨损量与316L不锈钢颗粒尺寸的关系.由图可见， 2.5 340%316L 506316L 316L不锈钢体积分数一定时，随着316L不锈钢颗 2.0- 目T10钢 粒尺寸的增大，试样的磨损量逐渐增多.在本文研 究条件下，所制备316L/YPSZ复合材料（除316L 1.5 的平均粒径为51.6m,体积分数为40%和50%， 1.0 以及316L的平均粒径为35.7m,体积分数为50% 的复合材料三种条件外)的磨损量均较T10钢磨损 量小 10.8 15.9 35.7 51.6 T10钢 316L不锈钢粒径μm 4.0 ☑10.8um 3.5 ☒15.9μm 图4对偶环转速200rmim时试样磨损量与316L不锈钢体积 3.0 835.7μm 分数的关系 051.6μm 2.5 目T10钢 Fig.4 Relation of the wear loss with the volume fraction of 316L at the rotary speed of 200rmin-1 2.0 1.5 0 图5所示为试样相对耐磨性（ξ，=试样e标样= △m标样/△m试样，本文标样为T10钢)与316L体积 30 40 50 T10钢 分数的关系，磨损实验条件同上，由图可见，当 316L不锈钢体积分数% 316L不锈钢颗粒尺寸一定时，随着316L不锈钢含 量的增加，试样的相对耐磨性逐渐降低，表明316L 图6对偶环转速240rmin时试样磨损量与316L不锈钢颗粒 尺寸的关系 不锈钢含量增加导致复合材料耐磨性能下降，当不 Fig.6 Relation of the wear loss with the particle size of 316L at the 锈钢的体积分数为30%和40%时，复合材料的耐磨 rotary speed of 240rmin-1 性为T10钢的1.8~3.2倍；当不锈钢的体积分数 为50%、颗粒尺寸为10.8~35.7m时，复合材料 图7为试样相对耐磨性与316L不锈钢颗粒尺 的耐磨性为T10钢的1.1~1.8倍；而当316L体积 寸和体积分数的关系图，对偶环转速为
中复合材料的两相发生非均匀磨损．复合材料烧结 密度较接近［11］．综合上述原因本文未将磨损实验 质量磨损量换算成体积磨损量． 2 结果与讨论 2∙1 316L不锈钢体积分数对复合材料耐磨性能的 影响 图4为复合材料试样在正压力98N、对偶环转 速200r·min －1的条件下磨损6000r 后试样的磨损 量与316L 体积分数的关系图．由图可见316L 不 锈钢颗粒尺寸一定时随着316L 不锈钢体积分数 的增加试样的磨损量逐渐增大．316L 不锈钢体积 分数为40％时试样的磨损量略高于316L 不锈钢体 积分数为30％时试样的磨损量；而当316L 不锈钢 体积分数为50％时磨损量有显著的增加．在本文 研究条件下所制备的316L／Y－PSZ 复合材料（除 316L 体积分数为50％平均粒径51∙6μm 的复合材 料外）的磨损量均较 T10钢磨损量小．尤其是当不 锈钢体积分数为30％和40％时复合材料的磨损量 远远低于 T10钢磨损量． 图4 对偶环转速200r·min －1时试样磨损量与316L 不锈钢体积 分数的关系 Fig．4 Relation of the wear loss with the volume fraction of316L at the rotary speed of 200r·min －1 图5所示为试样相对耐磨性（εr＝ε试样／ε标样＝ Δm标样／Δm试样本文标样为 T10钢）与316L 体积 分数的关系磨损实验条件同上．由图可见当 316L 不锈钢颗粒尺寸一定时随着316L 不锈钢含 量的增加试样的相对耐磨性逐渐降低表明316L 不锈钢含量增加导致复合材料耐磨性能下降．当不 锈钢的体积分数为30％和40％时复合材料的耐磨 性为 T10钢的1∙8～3∙2倍；当不锈钢的体积分数 为50％、颗粒尺寸为10∙8～35∙7μm 时复合材料 的耐磨性为 T10钢的1∙1～1∙8倍；而当316L 体积 分数为50％、平均粒径为51∙6μm 时复合材料的 耐磨性低于 T10钢． 图5 对偶环转速200r·min －1时试样相对耐磨性与316L 不锈钢 体积分数的关系 Fig．5 Curves of the relative wear resistance to the volume fraction of 316L at the rotary speed of 200r·min －1 2∙2 316L不锈钢颗粒尺寸对复合材料耐磨性能的 影响 图6所示为复合材料试样在正压力98N、对偶 环转速240r·min －1的条件下磨损6000r 后试样的 磨损量与316L 不锈钢颗粒尺寸的关系．由图可见 316L 不锈钢体积分数一定时随着316L 不锈钢颗 粒尺寸的增大试样的磨损量逐渐增多．在本文研 究条件下所制备316L／Y－PSZ 复合材料（除316L 的平均粒径为51∙6μm体积分数为40％和50％ 以及316L 的平均粒径为35∙7μm体积分数为50％ 的复合材料三种条件外）的磨损量均较 T10钢磨损 量小． 图6 对偶环转速240r·min －1时试样磨损量与316L 不锈钢颗粒 尺寸的关系 Fig．6 Relation of the wear loss with the particle size of316L at the rotary speed of 240r·min －1 图7为试样相对耐磨性与316L 不锈钢颗粒尺 寸 和 体 积 分 数 的 关 系 图对 偶 环 转 速 为 ·742· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第7期 郭振文等：316L不锈钢/YPSZ复合材料摩擦磨损特性 .743 240rmin-1.由图可见，当316L不锈钢含量一定 (280rmin-1),316L/YPSZ复合材料的耐磨性优 时，随着316L不锈钢颗粒尺寸的增加，试样的相对 于T10钢的特点更加突出. 耐磨性逐渐降低，表明316L不锈钢含量的增加会 对316L颗粒尺寸35.7m,体积分数为50%时 导致复合材料耐磨性能的下降，在本文研究条件 的复合材料试样在不同转速下摩擦因数随对偶环转 下，除316L平均粒径为51.6m、体积分数为40% 数的变化进行了考察，如图9所示. 和50%，以及316L的平均粒径为35.7m,体积分 1.0 数为50%的复合材料外，所制备复合材料的耐磨性 0.8 是T10钢的1~3倍 3.5 3.0 ▲-30%316L 0-40%316L 2.5 --200 r.min- -50%316L 0.4 -o-240 r.min 2.0 -280r-min1 1.5 0.2 Ⅲ 1.0 0.5 100020003000400050006000 0 对偶环旋转周次 1020304050 60 316L不锈钢粒径m 图9在不同转速下试样摩擦因数随对偶环旋转周次的变化 (50%316L,d31m=35.7hm)） 图7对偶环转速240rmin时试样相对耐磨性与316L不锈钢 颗粒尺寸的关系 Fig.9 Curves of the friction factor to the rotary cycle of the ring Fig.7 Curves of the relative wear resistance to the particle size of (50%316L,d316=35.7hm) 316L at the rotary speed of 240rmin 由图9可以看到，当转速较小(200rmin1) 2.3对偶环转速对复合材料耐磨性能的影响 时，摩擦因数随摩擦行程（对偶环转数）的变化曲线 图8所示为316L平均粒径35.7m的复合材 分为以下三个阶段， 料试样在正压力98N下磨损6000r后试样的磨损 阶段I一动摩擦的第1阶段，摩擦因数主要 量与对偶环转速的关系.由图可见，316L不锈钢含 由硬的粒子或微凸体的犁削作用支配，因为试样表 量一定时，随着对偶环转速的增大，试样的磨损量逐 面都有污染，在此阶段黏着所起作用较小，原始表 渐增多.在本文研究条件下，316L/YPSZ复合材 面的粗糙度主要影响静摩擦因数，而对动摩擦因数 料的磨损量基本上较T10钢的磨损量小，即 影响不大，随着两接触面间黏着的增加，摩擦因数 316L/YPSZ的耐磨性能优于T10钢.同时可发现 开始缓慢地增大 随着复合材料316L含量的增加，磨损量随对偶环 阶段Ⅱ一由于在滑动面间的磨损粒子量的增 转速增加的增幅减小，即耐磨性的速度敏感性降低， 加，摩擦因数逐渐升高，同时清洁的接触表面积增 5 大，黏着增大，也使摩擦因数增高，若产生新的微凸 dso=35.7 um ☑200r.min-l 体，则微凸体的变形抗力也成为摩擦力的组成部分， 图240r,min' 8280r-min' 阶段Ⅲ一当由于摩擦磨损产生的磨损粒子保 持一定（与从摩擦面间排出的磨损粒子量保持动态 平衡)时，黏着对摩擦的贡献也保持一定，这时由于 磨损产生新的粗糙表面及微凸体的变形抗力也成为 摩擦力的组成部分，摩擦因数呈稳中略有上升的趋 30 40 50 T10钢 势. 316L不锈钢体积分数% 当对偶环转速较高(240,280rmin)时，阶段 图8316L颗粒尺寸35.7m时试样磨损量与对偶环转速的 I不明显，摩擦因数的变化很快进入阶段Ⅱ和阶段 关系 Ⅲ，由图可以看到，当进入阶段Ⅲ之后，摩擦因数随 Fig.8 Relationships between wear loss and rotary speed at the 滑动摩擦速度增高呈稳中略有下降的趋势 316L particle size of 35.7m 2.4复合材料磨损机理分析 图8的结果还表明，在高磨损速度下 当GCr15环与316L不锈钢/YPSZ复合材料
240r·min －1．由图可见当316L 不锈钢含量一定 时随着316L 不锈钢颗粒尺寸的增加试样的相对 耐磨性逐渐降低．表明316L 不锈钢含量的增加会 导致复合材料耐磨性能的下降．在本文研究条件 下除316L 平均粒径为51∙6μm、体积分数为40％ 和50％以及316L 的平均粒径为35∙7μm体积分 数为50％的复合材料外所制备复合材料的耐磨性 是 T10钢的1～3倍． 图7 对偶环转速240r·min －1时试样相对耐磨性与316L 不锈钢 颗粒尺寸的关系 Fig．7 Curves of the relative wear resistance to the particle size of 316L at the rotary speed of 240r·min －1 2∙3 对偶环转速对复合材料耐磨性能的影响 图8所示为316L 平均粒径35∙7μm 的复合材 料试样在正压力98N 下磨损6000r 后试样的磨损 量与对偶环转速的关系．由图可见316L 不锈钢含 量一定时随着对偶环转速的增大试样的磨损量逐 渐增多．在本文研究条件下316L／Y－PSZ 复合材 料的 磨 损 量 基 本 上 较 T10 钢 的 磨 损 量 小即 316L／Y－PSZ的耐磨性能优于 T10钢．同时可发现 随着复合材料316L 含量的增加磨损量随对偶环 转速增加的增幅减小即耐磨性的速度敏感性降低． 图8 316L 颗粒尺寸35∙7μm 时试样磨损量与对偶环转速的 关系 Fig．8 Relationships between wear loss and rotary speed at the 316L particle size of 35∙7μm 图 8 的 结 果 还 表 明在 高 磨 损 速 度 下 （280r·min －1）316L／Y－PSZ 复合材料的耐磨性优 于 T10钢的特点更加突出． 对316L 颗粒尺寸35∙7μm体积分数为50％时 的复合材料试样在不同转速下摩擦因数随对偶环转 数的变化进行了考察如图9所示． 图9 在不同转速下试样摩擦因数随对偶环旋转周次的变化 （50％316Ld316L＝35∙7μm） Fig．9 Curves of the friction factor to the rotary cycle of the ring （50％316Ld316L＝35∙7μm） 由图9可以看到当转速较小（200r·min －1） 时摩擦因数随摩擦行程（对偶环转数）的变化曲线 分为以下三个阶段． 阶段Ⅰ－－－动摩擦的第1阶段．摩擦因数主要 由硬的粒子或微凸体的犁削作用支配．因为试样表 面都有污染在此阶段黏着所起作用较小．原始表 面的粗糙度主要影响静摩擦因数而对动摩擦因数 影响不大．随着两接触面间黏着的增加摩擦因数 开始缓慢地增大． 阶段Ⅱ－－－由于在滑动面间的磨损粒子量的增 加摩擦因数逐渐升高同时清洁的接触表面积增 大黏着增大也使摩擦因数增高．若产生新的微凸 体则微凸体的变形抗力也成为摩擦力的组成部分． 阶段Ⅲ－－－当由于摩擦磨损产生的磨损粒子保 持一定（与从摩擦面间排出的磨损粒子量保持动态 平衡）时黏着对摩擦的贡献也保持一定．这时由于 磨损产生新的粗糙表面及微凸体的变形抗力也成为 摩擦力的组成部分．摩擦因数呈稳中略有上升的趋 势． 当对偶环转速较高（240280r·min －1）时阶段 Ⅰ不明显摩擦因数的变化很快进入阶段Ⅱ和阶段 Ⅲ．由图可以看到当进入阶段Ⅲ之后摩擦因数随 滑动摩擦速度增高呈稳中略有下降的趋势． 2∙4 复合材料磨损机理分析 当 GCr15环与316L 不锈钢／Y－PSZ 复合材料 第7期 郭振文等：316L 不锈钢／Y－PSZ 复合材料摩擦磨损特性 ·743·
.744 北京科技大学学报 第30卷 试样两表面相接触时，由于是宏观线接触且两表面 犁削作用，如图10(a),(b)所示 均具有一定的粗糙度，接触仅发生在粗糙表面的凸 由于316L/YPSZ复合材料中的316L颗粒同 起处或微凸体之间，法向载荷和切向载荷通过接触 YPSZ基体间的界面结合较弱[8)，磨损过程中 点传递.由于复合材料相对较软（其HRC值山低316L颗粒会率先被磨损剥落，形成大量剥落坑，如 于GCr15环)，其表面微凸体易于变形或在重复载 图l0(a)~(c)所示.由微凸体施加于试样表面的摩 荷作用下发生断裂，从而形成较光滑的表面，如 擦力牵引使试样表面层发生剪切变形，变形随载荷 图10(c)中所示的光滑表面.这时接触方式不再是 重复而累积，累积到一定程度时，随着亚表层区域 微凸体对微凸体的“点一点”接触，而成为微凸体对 3 在法向载荷和切向剪切力作用下变形的继续，裂纹 平面的“点面”接触.当较硬的GCr15环表面微凸 会择优在接触面处的表面下形核，由于在接触区下 体与复合材料试样表面相对摩擦时，试样表面上的 存在有三维高压缩应力，不利于裂纹在很接近表面 每一接触点均承受周期性载荷，发生一定程度的微 处形核 (@309%316L b30%316L 000 509%31 40情 20Cu 4 A一316L剥落坑，B一裂纹 图10试样磨损表面sEM形貌（所用316L平均粒径51.6片m,对偶环转速200rmin) Fig.10 SEM images of wear surfaces (mean particle diameter of 316L,51.6/m:rotary speed.200rmin) 裂纹一旦形核，将在外界载荷作用下扩展，通 层裂纹生长的位置控制，而该位置受表面的法向载 常认为，由于在滑动磨损时存在有严重的剪切变形， 荷和切向载荷以及316L颗粒剥落坑引发的YPSZ 裂纹扩展近乎以滑开型（Ⅱ型）方式（平面剪切）扩 基体内部缺陷所控制，随后大片状磨屑在摩擦过程 展，这些裂纹可以扩展至周围YPSZ基体中并同 中又被碾碎成较小的片状磨屑，这种较硬质磨屑在 相邻的其它裂纹连通，如图10(b)所示.当这些相连 继续滑动中可使磨损表面发生磨粒磨损，导致磨损 通的裂纹最后向表面（某些薄弱位置）剪切时，如 表面粗糙，磨损严重2].总而言之，初期磨损的主 图10(c)所示，将沿垂直和平行于磨损表面的方向 要机理是316L不锈钢颗粒剥落、YPSZ基体表面 扩展，最终发生表面断裂，导致YPSZ基体片状剥 断裂层剥，后期磨损还伴有磨粒磨损， 落，在磨损表面形成片层状微观形貌，如图10(a), 随着复合材料316L颗粒体积分数的增多，在 (b)所示，层剥形成的片状磨屑的厚度受压应力表 YPSZ基体中形成的剥落坑数量也会增多，从而造
试样两表面相接触时由于是宏观线接触且两表面 均具有一定的粗糙度接触仅发生在粗糙表面的凸 起处或微凸体之间法向载荷和切向载荷通过接触 点传递．由于复合材料相对较软（其 HRC 值［11］ 低 于 GCr15环）其表面微凸体易于变形或在重复载 荷作用下发生断裂从而形成较光滑的表面如 图10（c）中所示的光滑表面．这时接触方式不再是 微凸体对微凸体的“点－点”接触而成为微凸体对 平面的“点－面”接触．当较硬的 GCr15环表面微凸 体与复合材料试样表面相对摩擦时试样表面上的 每一接触点均承受周期性载荷发生一定程度的微 犁削作用如图10（a）（b）所示． 由于316L／Y－PSZ 复合材料中的316L 颗粒同 Y－PSZ 基体间的界面结合较弱［8－9］磨损过程中 316L 颗粒会率先被磨损剥落形成大量剥落坑如 图10（a）～（c）所示．由微凸体施加于试样表面的摩 擦力牵引使试样表面层发生剪切变形变形随载荷 重复而累积．累积到一定程度时随着亚表层区域 在法向载荷和切向剪切力作用下变形的继续裂纹 会择优在接触面处的表面下形核．由于在接触区下 存在有三维高压缩应力不利于裂纹在很接近表面 处形核． A－316L 剥落坑B－裂纹 图10 试样磨损表面 SEM 形貌（所用316L 平均粒径51∙6μm对偶环转速200r·min －1） Fig．10 SEM images of wear surfaces （mean particle diameter of 316L51∙6μm；rotary speed200r·min －1） 裂纹一旦形核将在外界载荷作用下扩展．通 常认为由于在滑动磨损时存在有严重的剪切变形 裂纹扩展近乎以滑开型（Ⅱ型）方式（平面剪切）扩 展．这些裂纹可以扩展至周围 Y－PSZ 基体中并同 相邻的其它裂纹连通如图10（b）所示．当这些相连 通的裂纹最后向表面（某些薄弱位置）剪切时如 图10（c）所示将沿垂直和平行于磨损表面的方向 扩展最终发生表面断裂导致 Y－PSZ 基体片状剥 落在磨损表面形成片层状微观形貌如图10（a） （b）所示．层剥形成的片状磨屑的厚度受压应力表 层裂纹生长的位置控制而该位置受表面的法向载 荷和切向载荷以及316L 颗粒剥落坑引发的 Y－PSZ 基体内部缺陷所控制．随后大片状磨屑在摩擦过程 中又被碾碎成较小的片状磨屑这种较硬质磨屑在 继续滑动中可使磨损表面发生磨粒磨损导致磨损 表面粗糙磨损严重［12］．总而言之初期磨损的主 要机理是316L 不锈钢颗粒剥落、Y－PSZ 基体表面 断裂层剥后期磨损还伴有磨粒磨损． 随着复合材料316L 颗粒体积分数的增多在 Y－PSZ基体中形成的剥落坑数量也会增多从而造 ·744· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第7期 郭振文等：316L不锈钢/YPSZ复合材料摩擦磨损特性 .745. 成磨损的加剧.小颗粒316L颗粒镶嵌入YPSZ基 of HIP iron-based composites.Compos Sci Technol,1996,56; 体中的深度较小，在对偶环表面微凸体的犁削作用 1329 [4]Gerald PJO,Jayashree L,Hani H.Fundamentals of dry powder 下较易发生犁削剥落，其形成的凹坑较浅、较小，因 blending for metal matrix composites.Int J Powder Metall, 此YPSZ基体裂纹扩展形成的剥层较薄、较小.此 1993,29(4):353 外，不规则棒状的316L颗粒相对于球形316L颗粒 [5]Xiao Z Y,Li YY,Xia W,et al.Study of wear resistance of 不容易发生犁削剥落也对降低磨损量有一定影响， SiC/steel powder metallurgy composite materials.Mater Mech 随着316L颗粒粒度的增大，其镶嵌入YPSZ基体 Eng,1998,22(3):17 (肖志瑜，李元元，夏伟，等.SC/钢基复合材料摩擦磨损特性 的深度增加，磨损剥落后形成的凹坑较深、较大，裂 研究.机械工程材料，1998,22(3)：17) 纹形核的位置较深，因而磨损剥层较厚、较大，从而 [6]Atik M.Mesaddeq S H.Aegerter M A.Mechanical properties of 导致复合材料磨损的加剧 zirconia coated 316L austenitic stainless steel.Mater Sci Lett. 1996,15,1868 3结论 [7]Zhou Y.Ceramic Materials.2nd ed.Beijing:Science Press, (1)在本文研究条件下，随着316L不锈钢体积 2004 (周玉·陶瓷材料学，2版.北京：科学出版社，2004) 分数的增多、316L不锈钢颗粒尺寸的增大或对偶环 [8]Zhang W Q.Xie J X.Yang Z G.et al.Microstructure and proper- 转速的提高，复合材料的耐磨性下降 ties of composite of stainless steel and partially stabilized zirconia (2)除个别情形外，复合材料的耐磨性能优于 Trans Nonferrous Met Soc China.2003,13(1):140 T10钢(HRC45);当不锈钢体积分数为30%、颗粒 [9]Zhang W Q.Xie JX.Wang C Z.Properties of 316L/PSZ com 尺寸为10.8m时，复合材料的耐磨性能达到T10 posites fabricated by means of extrusion forming and gas pressure 钢的3.03.2倍. sintering.Mater Sci Eng A.2004.382:387 [10]Xie J X.Zhang W Q.Liu X F.et al.A Fabrication Method (3)所制备316L不锈钢/YPSZ复合材料的 for New Wear-resistant and Corrosion-resistant Metal-ceramics 磨损机理主要为316L不锈钢颗粒剥落和YPSZ Composites:China,ZL200510086398.6.2005-09-12 基体层片剥落 (谢建新，张文泉，刘雪峰，等。一种耐磨耐蚀材料的制备方 法：中国，ZL200510086398.6.2005-09-12) 参考文献 [11]Xie JX,Guo Z W,Zhang W Q,et al.Fabrication and proper- ties of 316L stainless steel/Y-PSZ composites.J Univ Sci [1]Zhang J.Pan F S,Chen WZ.Development and present status of ferro-matrix composite.Mater Rev,1995,9(1):67 Technol Beijing.2007,29(5):494 (谢建新，郭振文，张文泉，等.316L不锈钢/YPSZ复合材料 (张静，潘复生，陈万志·铁基复合材料的现状与发展.材料导 的制备与性能.北京科技大学学报，2007,29(5)：494) 报，1995,9(1)：67) [2]Wu R J.The present condition and prospects on metal matrix [12]Liu H W,Xue Q J.Lin L.Friction and wear behavior of 3Y- composites.Acta Metall Sin.1997.33(1):64 TZP ceramics and their mechanisms.Tribology.1996,16(1): 6 (吴人洁，金属基复合材料的现状与展望.金属学报，1997,33 (刘惠文，薛群基，林立·氧化钴陶瓷的摩擦磨损行为与机理 (1):64) [3]Pagounis E.Talvitie M.Lindroos V K.Influence of the metal/ 摩擦学学报，1996,16(1).6) ceramic interface on the microst ructure and mechanical properties
成磨损的加剧．小颗粒316L 颗粒镶嵌入 Y－PSZ 基 体中的深度较小在对偶环表面微凸体的犁削作用 下较易发生犁削剥落其形成的凹坑较浅、较小因 此 Y－PSZ 基体裂纹扩展形成的剥层较薄、较小．此 外不规则棒状的316L 颗粒相对于球形316L 颗粒 不容易发生犁削剥落也对降低磨损量有一定影响． 随着316L 颗粒粒度的增大其镶嵌入 Y－PSZ 基体 的深度增加磨损剥落后形成的凹坑较深、较大裂 纹形核的位置较深因而磨损剥层较厚、较大从而 导致复合材料磨损的加剧． 3 结论 （1） 在本文研究条件下随着316L 不锈钢体积 分数的增多、316L 不锈钢颗粒尺寸的增大或对偶环 转速的提高复合材料的耐磨性下降． （2） 除个别情形外复合材料的耐磨性能优于 T10钢（HRC45）；当不锈钢体积分数为30％、颗粒 尺寸为10∙8μm 时复合材料的耐磨性能达到 T10 钢的3∙0～3∙2倍． （3） 所制备316L 不锈钢／Y－PSZ 复合材料的 磨损机理主要为316L 不锈钢颗粒剥落和 Y－PSZ 基体层片剥落． 参 考 文 献 ［1］ Zhang JPan F SChen W Z．Development and present status of ferro-matrix composite．Mater Rev19959（1）：67 （张静潘复生陈万志．铁基复合材料的现状与发展．材料导 报19959（1）：67） ［2］ Wu R J．The present condition and prospects on metal matrix composites．Acta Metall Sin199733（1）：64 （吴人洁．金属基复合材料的现状与展望．金属学报199733 （1）：64） ［3］ Pagounis ETalvitie MLindroos V K．Influence of the metal／ ceramic interface on the microstructure and mechanical properties of HIP iron-based composites．Compos Sci Technol199656： 1329 ［4］ Gerald P J OJayashree LHani H．Fundamentals of dry powder blending for metal matrix composites． Int J Pow der Metall 199329（4）：353 ［5］ Xiao Z YLi Y YXia Wet al．Study of wear resistance of SiC／steel powder metallurgy composite materials． Mater Mech Eng199822（3）：17 （肖志瑜李元元夏伟等．SiC／钢基复合材料摩擦磨损特性 研究．机械工程材料199822（3）：17） ［6］ Atik MMesaddeq S HAegerter M A．Mechanical properties of zirconia-coated316L austenitic stainless steel．J Mater Sci Lett 199615：1868 ［7］ Zhou Y．Ceramic Materials．2nd ed．Beijing：Science Press 2004 （周玉．陶瓷材料学．2版．北京：科学出版社2004） ［8］ Zhang W QXie J XYang Z Get al．Microstructure and properties of composite of stainless steel and partially stabilized zirconia． T rans Nonferrous Met Soc China200313（1）：140 ［9］ Zhang W QXie J XWang C Z．Properties of 316L／PSZ composites fabricated by means of extrusion forming and gas-pressure sintering．Mater Sci Eng A2004382：387 ［10］ Xie J XZhang W QLiu X Fet al．A Fabrication Method for New Wear-resistant and Corrosion-resistant Metal-ceramics Composites：ChinaZL 200510086398．6．2005－09－12 （谢建新张文泉刘雪峰等．一种耐磨耐蚀材料的制备方 法：中国ZL 200510086398．6．2005－09－12） ［11］ Xie J XGuo Z WZhang W Qet al．Fabrication and properties of 316L stainless steel／Y－PSZ composites． J Univ Sci Technol Beijing200729（5）：494 （谢建新郭振文张文泉等．316L 不锈钢／Y－PSZ 复合材料 的制备与性能．北京科技大学学报200729（5）：494） ［12］ Liu H WXue Q JLin L．Friction and wear behavior of 3Y－ TZP ceramics and their mechanisms．T ribology199616（1）： 6 （刘惠文薛群基林立．氧化锆陶瓷的摩擦磨损行为与机理． 摩擦学学报199616（1）：6） 第7期 郭振文等：316L 不锈钢／Y－PSZ 复合材料摩擦磨损特性 ·745·